基于新型死區(qū)補(bǔ)償?shù)挠来磐捷嗇炿姍C(jī)矢量控制研究

李勇

摘? 要：永磁同步電機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高的優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而由于轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的存在嚴(yán)重影響了永磁同步電機(jī)在要求高轉(zhuǎn)速精度工況下的應(yīng)用，且轉(zhuǎn)速脈動(dòng)還會(huì)降低電能利用率和元器件的使用壽命，給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定的隱患，因此對于轉(zhuǎn)速脈動(dòng)抑制的研究具有重要意義。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高集成度、高功率密度等優(yōu)勢，能夠優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，提高車輛的空間利用率，但是也會(huì)增加整車非簧質(zhì)量，導(dǎo)致車輛平順性變差。基于此，本篇文章對基于新型死區(qū)補(bǔ)償?shù)挠来磐捷嗇炿姍C(jī)矢量控制進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：新型死區(qū)補(bǔ)償;永磁同步;輪轂電機(jī);矢量控制

引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，燃油汽車不僅給人們帶來了舒適的體驗(yàn)，但同時(shí)也帶來了許多環(huán)境問題，在這個(gè)大背景下，電動(dòng)汽車被研究出來。在機(jī)械結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)上，必須保證電子差速器系統(tǒng)的安全性和可靠性，這是電動(dòng)汽車安全的前提。考慮到車輛扭矩中心偏差對車輪載荷垂直傳遞的影響，分析了牽引質(zhì)量驅(qū)動(dòng)力和車身偏差對車輪載荷垂直傳遞的影響。利用CARSIM軟件建立動(dòng)態(tài)模型，利用SIMULINK軟件確定控制策略，最后對系統(tǒng)進(jìn)行總體仿真。傳統(tǒng)的阿克曼建模仿真有很多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)的探索。但是這個(gè)模型局限性很大，它只能在線性時(shí)不變的系統(tǒng)模型中應(yīng)用。如果要探究速度快的車輛模型，就需要再針對其他干擾因素作出更深一步的研究。

1輪轂電機(jī)發(fā)展史

20世紀(jì)50年代初，美國人Robert便發(fā)明了電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)，并申請了專利，其將電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)器濃縮到輪轂機(jī)構(gòu)。日本也從1991年開始涉足輪轂電機(jī)研發(fā)領(lǐng)域，但從產(chǎn)業(yè)層面來看，歐美公司占據(jù)主導(dǎo)地位，如荷蘭e-Traction、美國Protean、歐洲Elaphe，都先后有系列產(chǎn)品誕生。Proteanelectric早在2010年便推出了應(yīng)用在普通乘用車上的輪轂電機(jī)技術(shù)。而國內(nèi)則從2010年才開始研發(fā)輪轂電機(jī)技術(shù)，各大汽車零部件廠商開始通過并購方式引入國外先進(jìn)技術(shù)，如泰特機(jī)電、萬安科技、亞太股份分別投資了e-Traction、Protean、Elaphe。隨著全球5G商業(yè)化時(shí)代來臨，汽車行業(yè)正迎來新一輪的變革。在新的變革中，作為眾多前沿技術(shù)的落地場景，汽車也被重新定義：它不僅僅是交通工具，更是承載人們多重需求的移動(dòng)空間，是生活場景的一個(gè)個(gè)縮影，如醫(yī)療、休閑、娛樂、工作、物流、快遞，等等，這些前沿技術(shù)將打破空間的束縛。中國一汽紅旗開發(fā)了HEi2.0智能化底盤概念平臺(tái)，通過PTC（動(dòng)力總成與底盤集成）、CTC（動(dòng)力電池與底盤集成）、CTI（動(dòng)力與底盤域控制集成）集成技術(shù)，HEi2.0智能化底盤可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)零部件大幅減少，空間利用率提升，質(zhì)量降低，提高了通過性。隨著線控轉(zhuǎn)向及線控制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，分布式驅(qū)動(dòng)構(gòu)型下的線控底盤可以實(shí)現(xiàn)車輪大角度轉(zhuǎn)角，甚至360°轉(zhuǎn)角成為可能，可輕易實(shí)現(xiàn)蟹行、斜行、原地旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)模式。使用輪轂電機(jī)的分布式一體化電動(dòng)底盤突破了傳統(tǒng)的集中式驅(qū)動(dòng)構(gòu)型，可實(shí)現(xiàn)更高安全、更為清潔、更加快捷和全場景的便利使用。

2新型死區(qū)補(bǔ)償方案

傳統(tǒng)的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償方法對電流極性檢測準(zhǔn)確性要求比較高，且電流極性的檢測相對而言比較困難，增加了死區(qū)補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)難度。依據(jù)反饋控制思想，通過建立一種觀測器，實(shí)時(shí)對輸出電壓擾動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，并采用線性補(bǔ)償增益的方法改善電流鉗位，從而抵消死區(qū)時(shí)間和開關(guān)器件導(dǎo)通壓降等非線性特性帶來的死區(qū)效應(yīng)問題，該方法不需要對電流極性進(jìn)行檢測。采用觀測器進(jìn)行誤差補(bǔ)償，通常會(huì)忽略電流鉗位造成的畸變，且其自身也存在誤差電壓，故采用線性補(bǔ)償調(diào)節(jié)增益方法進(jìn)行二次補(bǔ)償。由于正切函數(shù)屬于非線性函數(shù)，相比一般線性函數(shù)，其魯棒性更高、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)、擬合效果更好，更加適合非線性矢量控制系統(tǒng)。為優(yōu)化電流波形正弦度，以正切函數(shù)作為補(bǔ)償增益。

線性補(bǔ)償增益K的計(jì)算如式（1）：

通過判斷電流是否過零點(diǎn)，對補(bǔ)償值斜率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改善了電流正弦度;正切增益可在電流過零點(diǎn)之前抑制鉗位區(qū)間。

3仿真分析

研究對象是電動(dòng)汽車永磁同步輪轂電機(jī)，帶負(fù)載啟動(dòng)是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的重要特點(diǎn)，故設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL=150N.m。分別對電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的三相電流波形和相電流頻譜進(jìn)行仿真分析對比，從而驗(yàn)證所提補(bǔ)償方案對抑制死區(qū)效應(yīng)有效性圖3為控制系統(tǒng)中有補(bǔ)償和無補(bǔ)償在不同轉(zhuǎn)速下的三相電流波形對比。由圖3（a）、圖3（b）可知：在電機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min工況下且無補(bǔ)償時(shí)，輪轂電機(jī)三相電流畸變更明顯，此時(shí)電流波形正弦度較差;在加入死區(qū)補(bǔ)償后，鉗位現(xiàn)象得到了較大的改善。由圖3（c）、圖3（d）可知：轉(zhuǎn)速1000r/min未加入死區(qū)補(bǔ)償時(shí)，輪轂電機(jī)三相電流鉗位現(xiàn)象不太明顯;但在加入死區(qū)補(bǔ)償后，三相電流波形正弦度也會(huì)變得更好。由此可知，電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，死區(qū)效應(yīng)帶來的影響更大，采用所提方案進(jìn)行補(bǔ)償后，抑制效果明顯，較好的提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。圖4為輪轂電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，有補(bǔ)償和無補(bǔ)償?shù)南嚯娏黝l譜對比。從圖4中可知：無補(bǔ)償時(shí)，相電流頻譜中失真率變化較大;有補(bǔ)償后，失真率顯著降低;當(dāng)電機(jī)在低速工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，失真率小于1，補(bǔ)償效果更好。

結(jié)束語

綜上所述，本文對逆變器死區(qū)和電流測量誤差產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并提出一種擾動(dòng)觀測器與重復(fù)控制器相結(jié)合的方法對此兩種實(shí)際工況中必然存在的非理想因素導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)進(jìn)行了抑制。仿真結(jié)果表明，所提方法能夠克服傳統(tǒng)方法由于IGBT通斷時(shí)間隨負(fù)載電流變化導(dǎo)致的補(bǔ)償不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，對逆變器死區(qū)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)具有較好的抑制效果。RC也能夠快速有效地抑制電流測量誤差帶來的殘余轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性。該方法提高了永磁同步電機(jī)在需要轉(zhuǎn)速高精度工況下的可應(yīng)用性，具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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